Usando um novo tipo de material de polímero duplo capaz de responder dinamicamente ao seu ambiente, Os pesquisadores da Brown University desenvolveram um conjunto de componentes modulares de hidrogel que podem ser úteis em uma variedade de aplicações "soft robótica" e biomédica.

Os componentes, que são padronizados por uma impressora 3-D, são capazes de dobrar, torcendo-se ou colando-se em resposta ao tratamento com certos produtos químicos. Para um artigo publicado na revista Química de Polímero , os pesquisadores demonstraram uma pinça macia capaz de atuar sob demanda para pegar pequenos objetos. Eles também projetaram blocos de construção de hidrogel semelhantes a LEGO que podem ser cuidadosamente montados e, em seguida, hermeticamente selados para formar dispositivos microfluídicos personalizados - sistemas "lab-on-a-chip" usados ​​para triagem de drogas, culturas de células e outras aplicações.

A chave para a funcionalidade do novo material é sua composição de polímero duplo, dizem os pesquisadores.

"Essencialmente, o único polímero fornece integridade estrutural, enquanto o outro permite esses comportamentos dinâmicos, como flexão ou auto-adesão, "disse Thomas Valentin, um recém-formado Ph.D. estudante na Escola de Engenharia de Brown e principal autor do artigo. "Portanto, colocar os dois juntos cria um material que é maior do que a soma de suas partes."

Os hidrogéis se solidificam quando os fios de polímero dentro deles ficam presos uns aos outros, um processo denominado reticulação. Existem dois tipos de ligações que mantêm polímeros reticulados juntos:covalente e iônica. As ligações covalentes são bastante fortes, mas irreversível. Uma vez que duas fitas estão ligadas covalentemente, é mais fácil quebrar o fio do que quebrar o vínculo. As ligações iônicas, por outro lado, não são tão fortes, mas eles podem ser revertidos. Adicionar íons (átomos ou moléculas com uma carga líquida positiva ou negativa) fará com que as ligações se formem. A remoção de íons fará com que as ligações se desfaçam.

Para este novo material, os pesquisadores combinaram um polímero que é covalentemente reticulado, chamado PEGDA, e um que é ionicamente reticulado, chamado PAA. As fortes ligações covalentes do PEGDA mantêm o material unido, enquanto as ligações iônicas do PAA o tornam responsivo. Colocar o material em um ambiente rico em íons faz com que o PAA se reticule, o que significa que se torna mais rígido e se contrai. Tire esses íons, e o material amolece e incha à medida que as ligações iônicas se rompem. O mesmo processo também permite que o material seja autoadesivo quando desejado. Junte duas peças separadas, adicione alguns íons, e as peças se encaixam firmemente.

Essa combinação de força e comportamento dinâmico permitiu aos pesquisadores fazer sua garra macia. Eles padronizaram cada um dos "dedos" da garra para ter PEGDA puro de um lado e uma mistura de PEGDA-PAA do outro. A adição de íons fez com que o lado PEGDA-PAA encolhesse e fortalecesse, que juntou os dois dedos da garra. Os pesquisadores mostraram que a configuração era forte o suficiente para levantar pequenos objetos pesando cerca de um grama, e segure-os contra a gravidade.

“Há muito interesse em materiais que podem mudar suas formas e se adaptar automaticamente a diferentes ambientes, "disse Ian Y. Wong, professor assistente de engenharia e autor correspondente do artigo. "Portanto, aqui demonstramos um material que pode se flexionar e se reconfigurar em resposta a um estímulo externo."

Mas, potencialmente, uma aplicação mais imediata é em microfluídica, dizem os pesquisadores.

Os hidrogéis são um material atraente para dispositivos microfluídicos, especialmente aqueles usados ​​em testes biomédicos. Eles são macios e flexíveis como o tecido humano, e geralmente não tóxico. O problema é que os hidrogéis costumam ser difíceis de padronizar com os complexos canais e câmaras necessários na microfluídica.

Mas este novo material - e o conceito de bloco de LEGO que ele possibilita - oferece uma solução potencial. O processo de impressão 3-D permite que arquiteturas microfluídicas complexas sejam incorporadas a cada bloco. Esses blocos podem então ser montados usando uma configuração de soquete muito parecida com a dos blocos LEGO reais. Adicionar íons aos blocos montados cria uma vedação à prova d'água.

"Os blocos modulares de LEGO são interessantes porque poderíamos criar uma caixa de ferramentas pré-fabricada para dispositivos microfluídicos, "Valentin disse." Você mantém uma variedade de peças predefinidas com diferentes arquiteturas microfluídicas disponíveis, e então você simplesmente pega aqueles de que precisa para fazer seu circuito microfluídico personalizado. Então você os cura juntos e está pronto para ir. "

E armazenar os blocos por longos períodos antes do uso não parece ser um problema, dizem os pesquisadores.

"Algumas das amostras que testamos para este estudo tinham três ou quatro meses, "disse Eric DuBois, um graduando da Brown e co-autor no artigo. "Portanto, achamos que eles podem permanecer utilizáveis ​​por um longo período."

Os pesquisadores afirmam que continuarão trabalhando com o material, potencialmente aprimorando as propriedades dos polímeros para obter ainda mais durabilidade e funcionalidade.